OEM과 설계 엔지니어가 모터, 드라이브, 컨트롤러에 대해 알아야 할 사항

설계자가 모션 중심 기계를 개선하든 새로운 기계를 구축하든 상관없이 모션 제어를 염두에 두고 시작하는 것이 중요합니다. 그런 다음 효과적이고 효율적인 자동화를 위한 최선의 방법을 중심으로 설계를 개발할 수 있습니다.

모션 기반 기계는 핵심 기능을 중심으로 설계 및 구축되어야 합니다. 예를 들어 특정 권선 응용 분야에 의존하는 인쇄 기계의 경우 설계자는 중요한 부품에 집중하고 핵심 기능을 지원하는 기계의 나머지 부분을 개발합니다.

이는 설계 엔지니어링 101처럼 들리지만 시장 출시 시간에 대한 압박과 팀이 전통적으로 기계, 전기 및 소프트웨어 부서로 분리되어 있기 때문에 설계가 대체로 선형 프로세스로 되돌아가는 것이 쉽습니다. 그러나 모션 제어를 염두에 두고 설계하려면 초기 개념 개발, 시스템 토폴로지 및 기계 접근 방식 결정, 연결 인터페이스 및 소프트웨어 아키텍처 선택을 포함하는 메카트로닉스 접근 방식이 필요합니다.

다음은 엔지니어가 모든 기계 설계 프로젝트의 시작부터 비효율성, 오류 및 비용을 줄이는 동시에 OEM이 고객 문제를 더 짧은 시간에 해결할 수 있도록 고려해야 하는 모터, 드라이브, 컨트롤러 및 소프트웨어의 몇 가지 필수 측면입니다.

【디자인 과정】

부품이 이동하는 방법과 위치는 일반적으로 엔지니어가 특히 혁신적인 기계를 개발할 때 대부분의 엔지니어링 노력을 기울이는 부분입니다. 혁신적인 빌드는 시간이 가장 많이 소요되지만 특히 팀이 최신 가상 엔지니어링 및 모듈식 설계를 활용하는 경우 가장 큰 ROI를 제공하는 경우가 많습니다.

처음부터 기계를 개발하는 첫 번째 단계는 다음과 같이 질문하는 것입니다. 이 기계의 중요한 기능은 무엇입니까? 청소하기 쉽고 유지 관리가 적거나 정확도가 높은 기계를 만드는 것일 수도 있습니다. 필요한 기능, 성능 또는 유지 관리 수준을 제공할 기술을 식별합니다.

해결해야 할 문제가 복잡할수록 가장 중요한 기능을 결정하는 것이 더 어려워집니다. 중요한 세부 사항을 정의하고 올바른 접근 방식을 결정하는 데 도움을 줄 수 있는 모션 중심 자동화 공급업체와 협력하는 것을 고려해 보십시오.

그런 다음 질문하십시오. 기계의 표준 기능은 무엇입니까? 이전 인쇄 기계의 예를 유지하면 인쇄되는 재료를 푸는 데 사용되는 장력 및 센서 제어 장치가 상당히 표준적입니다. 실제로 새로운 기계 작업의 약 80%는 이전 기계 작업의 변형입니다.

표준 기능에 대한 엔지니어링 요구 사항을 처리하기 위해 모듈식 하드웨어 및 코드 프로그래밍을 사용하면 프로젝트를 완료하는 데 필요한 설계 리소스의 양이 크게 줄어듭니다. 또한 오랜 시간에 걸쳐 검증된 기능을 사용하므로 신뢰성이 향상되고 설계의 보다 복잡한 부분에 집중할 수 있습니다.

모듈식 하드웨어 및 소프트웨어로 표준 기능을 제공할 수 있는 모션 제어 파트너와 협력한다는 것은 귀사가 경쟁 제품과 차별화되는 부가 가치 기능에 집중할 수 있다는 것을 의미합니다.

일반적인 설계 프로젝트에서 기계 엔지니어는 기계의 구조와 기계 구성 요소를 구축합니다. 전기 엔지니어는 드라이브, 전선 및 제어 장치를 포함한 전자 장치를 추가합니다. 그런 다음 소프트웨어 엔지니어가 코드를 작성합니다. 실수나 문제가 있을 때마다 프로젝트 팀은 이를 되짚어 수정해야 합니다. 설계 과정에서 변경 사항이나 실수를 기반으로 설계를 다시 수행하는 데 너무 많은 시간과 에너지가 소비됩니다. 다행히 CAD 소프트웨어를 사용하여 기계를 설계하고 고립된 계획과 설계를 하는 것은 거의 과거의 일입니다.

오늘날 가상 엔지니어링을 통해 팀은 여러 병렬 경로를 사용하여 기계가 작동하는 방식을 설계할 수 있으므로 개발 주기와 출시 기간이 크게 단축됩니다. 디지털 트윈(기계의 가상 표현)을 생성함으로써 각 부서는 자체적으로 작업하고 나머지 팀과 동시에 부품 및 제어 장치를 개발할 수 있습니다.

디지털 트윈을 통해 엔지니어는 기계 기술은 물론 기계에 대한 다양한 설계를 신속하게 테스트할 수 있습니다. 예를 들어, 원하는 양이 수집된 다음 재료가 절단될 때까지 재료를 기계 공급 장치에 공급해야 하는 프로세스가 있을 수 있습니다. 이는 재료를 절단해야 할 때마다 공급을 중단할 방법을 찾아야 함을 의미합니다. 이러한 문제를 처리하는 방법에는 여러 가지가 있으며 모든 방법이 전체 기계 작동 방식에 영향을 미칠 수 있습니다. 다양한 해결 방법을 시도하거나 구성 요소를 재배치하여 작업에 어떤 영향을 미치는지 확인하는 것은 디지털 트윈을 사용하면 간단하며 보다 효율적인(그리고 적은 양) 프로토타입 제작으로 이어집니다.

가상 엔지니어링을 통해 설계 팀은 전체 기계와 그 중복 개념이 어떻게 함께 작동하여 특정 목표를 달성하는지 확인할 수 있습니다.

【토폴로지 선택】

여러 기능, 하나 이상의 모션 축 및 다차원 이동, 더 빠른 출력 및 처리량을 갖춘 복잡한 설계는 시스템 토폴로지를 복잡하게 만듭니다. 중앙 집중식 컨트롤러 기반 자동화 또는 분산형 드라이브 기반 자동화 중에서 선택하는 것은 설계되는 기계에 따라 다릅니다. 전체 기능과 로컬 기능 모두에서 기계가 수행하는 작업은 중앙 집중식 토폴로지 또는 분산형 토폴로지를 선택하는지 여부에 영향을 미칩니다. 캐비닛 공간, 기계 크기, 주변 조건, 심지어 설치 시간도 이 결정에 영향을 미칩니다.

중앙 집중식 자동화. 복잡한 기계에 대한 조정된 모션 제어를 얻는 가장 좋은 방법은 컨트롤러 기반 자동화를 사용하는 것입니다. 모션 제어 명령은 일반적으로 EtherCAT과 같은 표준화된 실시간 버스를 통해 특정 서보 인버터로 전달되며 인버터는 모든 모터를 구동합니다.

컨트롤러 기반 자동화를 통해 여러 모션 축을 조정하여 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다. 모션이 기계의 핵심이고 모든 부품이 동기화되어야 하는 경우 이상적인 토폴로지입니다. 예를 들어, 로봇 팔을 적절하게 배치하기 위해 각 모션 축이 특정 위치에 있어야 하는 것이 중요한 경우 컨트롤러 기반 자동화를 선택할 가능성이 높습니다.

분산화된 자동화. 더욱 컴팩트한 기계와 기계 모듈을 통해 분산형 모션 제어는 기계 제어에 대한 부하를 줄이거나 제거합니다. 대신, 소형 인버터 드라이브는 분산된 제어 책임을 맡고, I/O 시스템은 제어 신호를 평가하며, EtherCAT과 같은 통신 버스는 엔드투엔드 네트워크를 형성합니다.

분산형 자동화는 기계의 한 부분이 작업 완료를 담당할 수 있고 지속적으로 중앙 제어에 보고할 필요가 없을 때 이상적입니다. 대신, 기계의 각 부분은 신속하고 독립적으로 수행되며 작업이 완료된 후에만 다시 보고합니다. 이러한 배열에서는 각 장치가 자체 로드를 처리하므로 전체 시스템이 더 분산된 처리 능력을 활용할 수 있습니다.

중앙 집중식 및 분산식 제어. 중앙 집중식 자동화는 조정을 제공하고 분산형은 보다 효율적인 분산 처리 능력을 제공하지만 두 가지를 결합하는 것이 때로는 최선의 선택입니다. 최종 결정은 비용/가치, 처리량, 효율성, 시간 경과에 따른 신뢰성, 안전 사양과 관련된 목표를 포함한 중요한 요구 사항에 따라 달라집니다.

프로젝트가 복잡할수록 다양한 측면에 대해 조언을 제공할 수 있는 모션 제어 엔지니어링 파트너를 갖는 것이 더 중요합니다. 기계 제작자가 비전을 제시하고 자동화 파트너가 도구를 제시하면 최고의 솔루션을 얻을 수 있습니다.

【머신 네트워킹】

깨끗하고 미래 지향적인 상호 연결성을 구축하는 것도 모션 제어를 염두에 두고 설계하는 데 있어 중요한 단계입니다. 통신 프로토콜은 모터와 드라이브의 위치만큼이나 필수적입니다. 왜냐하면 이는 구성 요소의 기능뿐만 아니라 모든 것을 연결하는 방법이기도 하기 때문입니다.

좋은 디자인은 전선 수와 전선이 이동해야 하는 거리를 줄여줍니다. 예를 들어, 원격 터미널로 연결되는 10~15개의 전선 세트는 EtherCAT과 같은 산업용 통신 프로토콜을 사용하는 이더넷 케이블로 대체될 수 있습니다. 이더넷이 유일한 선택은 아니지만, 어떤 것을 사용하든 올바른 통신 도구나 버스가 있는지 확인하여 공통 프로토콜을 사용할 수 있도록 하세요. 좋은 통신 버스를 선택하고 모든 것이 어떻게 배치될지에 대한 계획을 세우면 향후 확장이 훨씬 쉬워집니다.

처음부터 캐비닛 내부에 좋은 디자인을 만드는 데 집중하세요. 예를 들어, 자기 간섭의 영향을 받을 수 있는 전자 부품 근처에 전원 공급 장치를 두지 마십시오. 전류나 주파수가 높은 구성요소는 전선에 전기적 노이즈를 생성할 수 있습니다. 따라서 최상의 작동을 위해서는 고전압 구성요소를 저전압 구성요소로부터 멀리 두십시오. 또한 네트워크가 안전 등급인지 확인하세요. 그렇지 않은 경우에는 한 부분이 고장나면 자체 고장을 감지하고 대응할 수 있도록 배선된 중복 안전 연결이 필요할 수 있습니다.

산업용 사물 인터넷(IIoT)이 자리잡으면서 귀하 또는 귀하의 고객이 아직 사용할 준비가 되지 않은 고급 기능을 추가하는 것을 고려해 보십시오. 기계에 기능을 구축하면 나중에 해당 기계를 업그레이드하기가 더 쉬워집니다.

【소프트웨어】

업계 추정에 따르면 머지않아 OEM이 소프트웨어 요구 사항에 초점을 맞춰 기계 개발 시간의 50~60%를 소비해야 할 것으로 예상됩니다. 기계 중심에서 인터페이스 중심으로의 진화는 소규모 기계 제작업체를 경쟁 우위에 놓이게 하지만 모듈식 소프트웨어와 표준화된 개방형 프로토콜을 기꺼이 채택하려는 기업에게는 공평한 경쟁의 장을 제공할 수도 있습니다.

소프트웨어가 어떻게 구성되는지에 따라 기계가 현재와 미래에 수행할 수 있는 작업이 확장되거나 제한될 수 있습니다. 모듈식 하드웨어와 마찬가지로 모듈식 소프트웨어는 기계 제작의 속도와 효율성을 향상시킵니다.

예를 들어, 기계를 설계 중이고 두 단계 사이에 추가 단계를 추가하고 싶다고 가정해 보겠습니다. 모듈식 소프트웨어를 사용하는 경우 재프로그래밍이나 재코딩 없이 간단히 구성요소를 추가할 수 있습니다. 그리고 모두 동일한 작업을 수행하는 6개 섹션이 있는 경우 코드를 한 번 작성하여 6개 섹션 모두에서 사용할 수 있습니다.

모듈식 소프트웨어를 사용하면 설계 효율성이 더욱 높아질 뿐만 아니라 엔지니어가 고객이 원하는 유연성을 제공할 수도 있습니다. 예를 들어 고객이 다양한 크기의 제품을 작동하는 기계를 원하고 가장 큰 크기로 인해 한 섹션의 기능을 변경해야 한다고 가정해 보겠습니다. 모듈식 소프트웨어를 사용하면 설계자는 기계의 나머지 기능에 영향을 주지 않고 섹션을 간단히 변경할 수 있습니다. 이러한 변경을 자동화하면 OEM 또는 고객이 기계 기능 간에 신속하게 전환할 수 있습니다. 모듈이 이미 기계에 있기 때문에 다시 프로그래밍할 필요가 없습니다.

기계 제조업체는 각 고객의 고유한 요구 사항을 충족하기 위해 옵션 기능을 갖춘 표준 기본 기계를 제공할 수 있습니다. 기계, 전기 및 소프트웨어 모듈의 포트폴리오를 개발하면 구성 가능한 기계를 보다 쉽고 빠르게 조립할 수 있습니다.

그러나 모듈식 소프트웨어의 효율성을 극대화하려면 특히 둘 이상의 공급업체를 이용하는 경우 업계 표준을 따르는 것이 중요합니다. 드라이브 및 센서 공급업체가 업계 표준을 따르지 않으면 해당 구성 요소는 서로 통신할 수 없으며 부품 연결 방법을 파악하는 데 있어 모든 모듈성 효율성이 손실됩니다.

또한 고객이 데이터 스트림을 클라우드 네트워크에 연결할 계획이라면 모든 소프트웨어는 산업 표준 프로토콜을 사용하여 생성되어야 합니다. 그래야 기계가 다른 기계와 작동하고 클라우드 서비스와 인터페이스할 수 있습니다.

OPC UA 및 MQTT는 가장 일반적인 표준 소프트웨어 아키텍처입니다. OPC UA는 기계, 컨트롤러, 클라우드 및 기타 IT 장치 간의 거의 실시간 통신을 가능하게 하며 아마도 얻을 수 있는 전체적인 통신 인프라에 가장 가깝습니다. MQTT는 두 애플리케이션이 서로 통신할 수 있게 해주는 보다 가벼운 IIoT 메시징 프로토콜입니다. 예를 들어 센서나 드라이브가 제품에서 정보를 가져와 클라우드로 보내는 등 단일 제품에 자주 사용됩니다.

【클라우드 연결성】

상호 연결된 폐쇄 루프 기계가 여전히 대다수이지만, 클라우드에 완벽하게 네트워크로 연결된 공장의 인기가 높아지고 있습니다. 이러한 추세는 예측 유지 관리 및 데이터 기반 생산 수준을 높일 수 있으며 공장 소프트웨어의 다음 주요 변화입니다. 원격 연결로 시작됩니다.

클라우드 네트워크 공장은 다양한 프로세스, 다양한 생산 라인 등의 데이터를 분석하여 생산 프로세스를 보다 완벽하게 표현합니다. 이를 통해 다양한 생산 시설의 전체 장비 효율성(OEE)을 비교할 수 있습니다. 최첨단 OEM은 신뢰할 수 있는 자동화 파트너와 협력하여 최종 사용자가 필요로 하는 데이터를 전송할 수 있는 모듈식 Industry 4.0 기능을 갖춘 클라우드 지원 기계를 제공합니다.

기계 제조업체의 경우 모션 제어 자동화를 사용하고 고객의 공장이나 회사를 보다 효율적으로 만들기 위해 전체적인 프로세스 접근 방식을 취하면 더 많은 비즈니스를 성사시킬 수 있습니다.